通过多尺度方法研究增材制造的316L不锈钢的各向异性塑性及损伤行为

《Mechanics of Materials》：Anisotropic plasticity and damage of additively manufactured 316L stainless steel by multiscale approach

本文通过理论分析和分子动力学模拟，探究含纳米 inclusion 的二维范德华异质结构形态及界面行为，发现模型能有效预测结构形态，纳米 inclusion 的尺寸、类型及界面相互作用显著影响结合能及结构稳定性。

　　van der Waals (vdW) 异质结构因其独特的物理化学性质，正成为多个高科技领域的重要研究对象。从精密仪器到微电子器件，再到机械与电气工程，这类异质结构的应用潜力巨大。然而，目前对于含有纳米颗粒的vdW异质结构界面响应机制的研究仍显不足，这在一定程度上限制了新型器件的可靠性和稳定性。因此，深入理解并准确预测这些异质结构的界面行为，不仅有助于推动基础科学研究的发展，也为实际工程应用提供了理论支持。

vdW异质结构是通过二维材料之间的范德华力相互作用而构建的一种新型材料体系。这些材料通常具有非常薄的层状结构，能够在保持其优异性能的同时，实现更灵活的设计和更广泛的应用。例如，石墨烯与六方氮化硼（h-BN）异质结构在光学、超导性和机械性能方面表现突出，吸引了科研界和工业界的广泛关注。在这些异质结构中，界面特性对于其整体性能至关重要。界面的稳定性、功能设计以及与其他材料的相互作用都与界面行为密切相关。例如，热导率、旋转阻力等物理性质往往与界面的扭转角度有关，而通过调控界面的取向和晶格失配，可以实现多种新颖的量子现象。

尽管已有大量研究关注vdW异质结构的界面特性，但针对含有纳米颗粒的异质结构的研究仍然较少。这主要是因为纳米颗粒的引入会显著改变界面的物理和化学环境，进而影响整个异质结构的形态和性能。目前，研究者们主要通过实验手段和理论模拟来探索这些特性。例如，通过原子力显微镜（AFM）辅助技术，研究人员能够测量新鲜和老化vdW异质结构界面的弱粘附性。此外，利用扫描透射电子显微镜（STEM）进行截面分析，有助于揭示界面间杂质的分布情况。这些实验方法为理解界面行为提供了重要的数据支持，但同时也存在一定的局限性，尤其是在预测异质结构的形态和评估其粘附能方面。

为了弥补实验研究的不足，一些理论和计算方法也被引入到研究中。例如，Lin和Zhao（2019）通过理论和模拟分析了vdW异质结构的剥离行为，发现整个剥离过程可以分为初始阶段、稳定阶段和脱离接触阶段。Guo等人（2021）则利用第一性原理计算研究了氮化镓/钙钛矿异质结构的界面相互作用。这些研究虽然取得了一定成果，但在处理含有纳米颗粒的异质结构时，仍然存在一定的挑战。传统的模型通常假设界面的对称性或某一层为刚性结构，这在实际应用中可能无法准确反映异质结构的真实情况。因此，开发一种能够考虑原子晶格结构、原子相互作用以及组成层材料特性的连续模型，成为当前研究的一个重要方向。

本研究旨在通过理论分析和分子动力学（MD）模拟，系统探讨含有纳米颗粒的vdW异质结构的界面行为。首先，我们提出了一种新的理论模型，用于预测含有纳米颗粒的异质结构的形态。该模型基于原子相互作用原理，考虑了界面两侧材料的变形情况，从而能够更准确地描述异质结构的形成过程。随后，我们通过MD模拟验证了该理论模型，并进一步研究了异质结构的粘附能。MD模拟不仅能够提供界面行为的详细信息，还能帮助我们理解不同几何和材料参数对异质结构形态和粘附能的影响。

在实际研究中，我们选择了几种常见的vdW异质结构作为研究对象，包括石墨烯/二硫化钼（MoS?）、石墨烯/六方氮化硼（h-BN）、石墨烯/石墨烯、六方氮化硼/双层石墨烯以及六方氮化硼/二硫化钼异质结构。为了简化研究，我们假设这些异质结构的尺寸为无限大，并在模型中引入了纳米颗粒。纳米颗粒的引入不仅改变了界面的物理特性，还可能对整个异质结构的稳定性产生影响。因此，我们需要深入研究纳米颗粒的类型、大小、数量以及它们在界面中的分布情况，以揭示其对异质结构性能的具体影响。

在MD模拟中，我们采用了一种典型的纳米颗粒模型，即由金刚石制成的球形纳米颗粒。这些纳米颗粒的半径为2.7 ?，被认为是能够有效改变界面特性的代表。通过模拟，我们能够观察到纳米颗粒在异质结构中的分布情况，并进一步分析其对界面行为的影响。例如，纳米颗粒的引入可能会导致界面两侧材料的变形，从而改变整个异质结构的形态。此外，纳米颗粒的类型和数量也会影响界面的粘附能，进而影响异质结构的稳定性。

为了全面评估纳米颗粒对异质结构的影响，我们研究了多种几何和材料参数。这些参数包括异质结构的尺寸、纳米颗粒的类型、大小以及它们在界面中的相互作用方式。通过系统的参数分析，我们发现纳米颗粒的大小和数量对异质结构的形态和粘附能具有显著影响。此外，纳米颗粒的类型也会影响界面的性能，例如金刚石纳米颗粒可能会提供更高的界面稳定性，而其他类型的纳米颗粒可能会导致不同的变形行为。

在研究过程中，我们还发现，纳米颗粒的引入不仅改变了界面的物理特性，还可能对异质结构的整体性能产生深远影响。例如，纳米颗粒的分布可能会影响异质结构的热导率、机械强度以及电学性能。这些发现对于设计和优化基于vdW异质结构的新型器件具有重要意义。通过调控纳米颗粒的大小、数量以及它们在界面中的相互作用方式，研究人员可以更有效地优化异质结构的性能，从而满足不同应用场景的需求。

此外，本研究还揭示了纳米颗粒在异质结构中的作用机制。例如，纳米颗粒可能通过改变界面的相互作用方式，影响异质结构的稳定性。这种影响可能体现在界面的粘附能、变形行为以及整体结构的形态上。通过深入分析这些机制，我们希望能够为未来的研究提供新的思路和方法，同时也为实际工程应用提供理论指导。

总的来说，本研究通过理论分析和MD模拟，系统探讨了含有纳米颗粒的vdW异质结构的界面行为。我们发现，纳米颗粒的引入可以显著改变异质结构的形态和粘附能，而这些变化可以通过调整纳米颗粒的大小、数量以及它们在界面中的相互作用方式来实现。本研究的结果不仅有助于加深对界面力学的理解，也为二维材料及其对应的vdW异质结构的应用提供了重要的理论支持。未来，随着研究的深入，我们有望进一步优化这些异质结构的性能，推动其在更多领域的应用。